BÁO CÁO VẬT LIỆU HỌC 1

Báo cáo vật liệu học 1

GVHD: Nguyễn Văn Thức

PHẦN 1: THẤM CACBON
1.1. Thấm Cacbon
Là phương pháp hóa nhiệt luyện phổ biến nhất, dễ thực hiện nhất, thường gặp ở nước
ta và các nước công nghiệp.
1.1.1. Định nghĩa-Mục đích-Yêu cầu:
1.1.1.1. Định nghĩa
Thấm C là phương pháp hóa nhiệt luyện làm bão hòa C ở bề mặt chi tiết được chế tạo
từ thép C thấp.
1.1.1.2. Mục đích
-Được thực hiện cho các chi tiết làm việc trong điều kiện bị mài mòn rất nhiều
ở bề mặt và cần có độ cứng cao để chống mài mòn, đồng thời chịu tải trọng lớn, va đập,
uốn, xoắn cần lõi có độ dẻo dai cao.
1.1.1.3. Yêu cầu
-Nồng độ %C=0.8%-1.2%.
-Nồng độ %C giảm dần từ bề mặt vào trong lõi tránh hiện tượng phân lớp.

Hình 5.9-Biểu đồ nồng độ %C
-Lớp thấm không được tạo nên lớp XeII.

1


Báo cáo vật liệu học 1

GVHD: Nguyễn Văn Thức

Hình 5.10-Lớp thấm tôi

1.1.2.

Các phương pháp thấm Cacbon
1.1.2.1.

Thấm C thể rắn

Chuẩn bị chất thấm C thể rắn: gồm có than gỗ (hạt 2-3 mm) + (10-15%) BaCO 3 hay
cho thêm dầu nặng.
Chuẩn bị hộp thấm: được làm bằng thép tấm có chiều dày từ 5-8 (mm) và các chi tiết
được xếp đều nhau a= (20-30) mm.

Hình 5.11-Thấm thể rắn.
-

C + O2 → CO

Nhiệt độ thấm =(880-900)oC.

.

0

t
CO →
C ht + CO2

2

Báo cáo vật liệu học 1

GVHD: Nguyễn Văn Thức
0

t
BaCO3 →
BaO + CO2

.
0

t
CO2 + C → CO CO → C ht + CO2

;

0

t
BaO + CO2 →
BaCO3

.
-

Chiều dày

δ

Tốc độ thấm: Vth= (0.1-0.12) mm/1h.

lớp thấm phụ thuộc vào kích thước chi tiết (chi tiết càng lớn thì
chiều dày lớp thấm càng tăng).

Thông thường:
-

Chi tiết kích thước bé:

δ < 0. 7

Chi tiết có kích thước trung bình:
-

Chi tiết có kích thước lớn:

0.7 < δ < 1.2

1.2 < δ < 1.8
τ=

-

(mm).

Thời gian thấm

(mm).

(mm).

δ th
Vth
.

Sau khi đạt được chiều dày lớp thấm thì lấy hộp ra khỏi lò, đậy kín để nguội tới
nhiệt độ thường.
Ưu:
-Đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện, có thể nung trong lò điện hoặc
nung trong lò đốt bằng than.
Khuyết:
-

Chất lượng không cao vì không điều chỉnh được nồng độ chất thấm trong
quá trình thấm.
-

1.1.2.2.

Điều kiện lao động rất nặng nhọc, rất bụi.
-

Không tôi trực tiếp sau khi thấm.

-

Không cơ khí hóa, tự động hóa.

Thấm Cacbon thể lỏng

3


Báo cáo vật liệu học 1

GVHD: Nguyễn Văn Thức

Hình 5.12-Thấm C thể lỏng

-

Môi trường nung: là muối nóng chảy 78% NaCl +22% BaCl2.
-

Nấu chảy lò muối.

+Lò muốn đốt ngoài: nguồn nhiệt cung cấp từ ngoài vỏ lò.
+Lò muối đốt trong:
+Lò muối điện cực.
-

Nhiệt độ thấm =840-860 oC.

Tốc độ thấm: Vth=(0.2-0.3) mm/ 1 h giữ nhiệt.

Ưu điểm:
-Năng suất cao nhất vì nung trong lò muốn nóng chảy, tốc độ truyền nhiệt lớn.
-Chất lượng tốt vì điều chỉnh chất thấm dễ dàng.

-Có thể tôi trực tiếp sau khi thấm.
-Có thể cơ khí hóa, tự động hóa.
Khuyết:
-Môi trường làm việc trong lò muối nóng chảy có nhiều khí độc hại.
-Thiết bị lò muối bị ăn mòn mạnh làm giảm tuổi thọ của thiết bị.
-Không thể thấm cho các chi tiết lớn.
-Sau khi thấm rất khó làm sạch lớp SiC bám trên bề mặt.

1.1.2.3.

Thấm C thể khí
4


Báo cáo vật liệu học 1

GVHD: Nguyễn Văn Thức

Hình 5.13-Thấm C thể khí.
-

Dùng lò chuyên dùng hoạt động theo nguyên lý chất thấm là khí
Cacbuahyđrô.
0

t
Cn H 2 n →
nC ht + nH 2

-

hoặc dùng thêm dầu hỏa tha thế cacbuahydro.
Nhiệt độ thấm: tthấm=(930-950)oC.

-

Tốc độ thấm: Vth= (0.2-0.3) mm/1h giữ nhiệt.

Ưu:
-

Chất lượng khá tốt vì dễ dàng điều chỉnh được nồng độ chất thấm.
-

-

Cho năng suất khá cao.

Điều kiện lao động tương đối sạch sẽ.

Dễ cơ khí hóa, dễ tự động hóa và có thể tôi trực tiếp sau khi thấm.

Khuyết:
-

Có hiện tượng tạo muội than bám vào bề mặt chi tiết (do nồng độ chất thấm
quá cao).
-

Giá thành thiết bị mắc.

1.1.2.4. Nhiệt luyện sau khi thấm C
Sau khi thấm C bắt buộc phải tôi+ram thấp.
Tổ chức tế vi của lớp thấm:

5


Báo cáo vật liệu học 1

GVHD: Nguyễn Văn Thức

Hình 5.14-Tổ chức tế vi của lớp thấm.

-

Gồm 3 lớp:

-

Lớp

1
1
δ = P + XeII + P + [ F + P ]
2
2

1
1

F+ P
2
2

.

có nồng độ C là %C=0.4%C.

Nhiệt độ tôi:
-

Nếu ưu tiên tôi bề mặt : tôi không hoàn toàn (ttôi=AC1+(30-50)oC vì là thép
sau cùng tích. Nếu nung nóng chậm, có thể lấy AC1=A1
-

-

Thì nhiệt độ tôi là (760-780) oC.

Nếu ưu tiên cơ tính cho lõi: tôi không hoàn toàn (ttôi=AC3+ (30-50)oC). Điều
kiện bình thường. Nếu nung nóng chậm có thể lấy AC3=A3 nên nhiệt độ tôi là 860880oC.

Các phương pháp tôi:
-

Tôi một lần +ram thấp (Thép C).

Hình 5.15-Tôi một lần+ram thấp.
6

Báo cáo vật liệu học 1

GVHD: Nguyễn Văn Thức
Lấy giới hạn dưới 760o: ưu tiên cho bề mặt.

-

Lấy giới hạn trên 880o: ưu tiên cho lõi.
-

Tôi hai lần +ram thấp.

Hình 5.16-Tôi hai lầm +ram thấp
-

Tôi trực tiếp +ram thấp: chỉ áp dụng cho thép hạt bé.

Hình 5.17-Tôi trực tiếp +Ram thấp
-

Tôi cải tiến+tôi bề mặt+Ram thấp.

7


Báo cáo vật liệu học 1

GVHD: Nguyễn Văn Thức

Hình 5.18-Tôi cải tiến+Tôi bề mặt+Ram thấp.
1.1.2.5. Thấm cacbon bằng plasma
Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất (các trạng thái khác là rắn, lỏng, khí) trong đó
các chất bị ion hóa mạnh.
Đại bộ phậnphân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân; các electron chuyển động
tương đối tự do giữa các hạt nhân.
Các hiện tượng xảy ra trong plasma chuyển động là rất phức tạp. Trong nghiên cứu
plasma, người ta xét các khối plasma tĩnh, tức là các khối plasma có điện tích chuyển động
nhưng toàn khối vẫn đứng yên.
Các ví dụ về plasma dễ thấy nhất là mặt trời, các ngôi sao, đèn huỳnh quang và sét.
Sự thấm carbon cho thép bao gồm việc nhiệt luyện bề mặt kim loại sử dụng nguồn
carbon ở thể rắn, lỏng, khí hay plasma. Trước đây thấm carbon được thực hiện bằng cách
cho tiếp xúc trực tiếp than lên kim loại, nhưng các kỹ thuật hiện đại sử dụng các loại khí
hoặc plasma sinh ra carbon (ví dụ như cacbonic hay metan). Quá trình phụ thuộc chủ yếu
vào thành phần của khí xung quanh và nhiệt độ lò nung. Các yếu tố này cần được giám sát
cẩn thận do nhiệt có thể ảnh hưởng lên vi cấu trúc của vật liệu. Khi có yêu cầu về kiểm soát
thành phần của khí, sự thấm carbon có thể được thực hiện ở áp suất thấp trong buồng chân
không.
Thấm carbon bằng plasma đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong công
nghiệp để cải thiện tính chất bề mặt của một số kim loại, nhất là thép không rỉ, do nó thân
thiện với môi trường (so với việc dùng chất khí hay chất lỏng) và có thể tác dụng một cách
đồng đều lên bề mặt có hình dạng phức tạp (plasma có thể xuyên vào các lỗ và khe hẹp).

8


Báo cáo vật liệu học 1

GVHD: Nguyễn Văn Thức

PHẦN 2 CÂU HỎI
Câu 1: Giới thiệu thành tựu của cuộc cách mạng vật liệu hiện đại
Trong khoa học hiện đại, vật liệu được coi là một trong 3 trụ cột lớn. Thế kỷ 21, vật
liệu mới với tính năng cao và đa năng trở thành trọng tâm nghiên cứu khoa học, là thước đo
tiến bộ khoa học kỹ thuật và sức mạnh tổng hợp của một quốc gia.
Những điểm nóng trong vật liệu hiện nay là: vật liệu nano (để chế tạo những vật cực nhỏ),
vật liệu siêu dẫn (cho phép dòng điện cường độ cực lớn chạy qua vì gần như không có điện
trở), vật liệu sinh học, vật liệu điện tử, vật liệu quang điện.
Vật liệu mới mang tính chiến lược được các nước coi trọng hiện nay chủ yếu gồm 3 loại: vật
liệu chức năng cao, gốm sứ kỹ thuật cao và vật liệu tổng hợp. Trong 8 tháng đầu năm nay,
giá trị thương phẩm của 3 nhóm vật liệu này trên thế giới vượt 220 tỉ đô-la Mỹ, tỷ lệ tăng
trưởng bình quân trước 2008 là 10-15 % mỗi năm.
Các ngành công nghiệp như: năng lượng, môi trường, điện tử, xe hơi, hàng không vũ
trụ, động cơ, cơ khí, đồ điện, kiến trúc, hải dương, công nghiệp nhẹ... đều là những lĩnh vực
đòi hỏi nhiều vật liệu thay thế, cho nên phát triển vật liệu thay thế trở thành điểm nóng của
nhiềunước.
Vật liệu siêu dẫn nâng cao rất nhiều hiệu suất tận dụng năng lượng, tác động lớn tới hướng
đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng, ví dụ xe điện tốc độ cao (400-500 km/giờ) chạy trên đệm từ,
sẽ mang lại bộ mặt hoàn toàn mới mẻ cho ngành vận tải biển, đường sắt, cơ sở hạ tầng. Từ
giữa thập niên 80 thế kỷ trước đến nay, vật liệu sinh học đã phát triển hơn 100 loại trong đó
1/3 đã bắt đầu thương mại hóa.
Ví dụ loại keo sinh học có độ dính cao do một công ty thuộc bang Maryland của Mỹ
chế tạo mà nguyên liệu lấy từ một loại vi khuẩn trong hải dương, cho lên men sản xuất
thành keo. Loại keo này có thể dùng dán tàu thuyền, tàu vũ trụ, thiết bị chống ăn mòn và
trongyhọclâmsàng...
Trong thập niên 1980, các nhà khoa học Mỹ và Anh đã phát hiện trong bụi than ống khói có
mặt “than 60”, loại than được cấu tạo gồm 60 phân tử thuộc kết cấu thứ ba với thành phần
toàn than 100% nhưng khác với than chì và kim cương. Than 60 là loại vật liệu hết sức kỳ
lạ, có thể trở thành nguyên tố cơ bản để phát triển hàng vạn loại vật liệu mới. Chẳng hạn khi
thêm vào các nguyên tố Bari, Stronti, Ytterbium và Uranium vào kết cấu phân tử của than

60, sẽ sản sinh một loại vật liệu chưa từng có với các tính năng như siêu dẫn, siêu cứng,
chống mòn, chống bức xạ, bán dẫn, chống nhiệt độ cao...

9


Báo cáo vật liệu học 1

GVHD: Nguyễn Văn Thức

Kể từ thập niên 90 thế kỷ 20, các nước đã thu được thành tựu đột phá trong lĩnh vực vật liệu
nano, đưa việc phát triển vật liệu mới qua một giai đoạn mới. Dự kiến từ 5-10 năm tới sẽ
xuất hiện vật liệu cao năng dùng cho kỹ thuật nano, có độ cứng hơn thép 11 lần nhưng cực
nhẹ.
Việc phổ cập kỹ thuật thông tin viễn thông đang nhanh chóng đổi mới vật liệu điện
tử. Các nhà khoa học đã chế tạo được vật liệu nhựa giá thành thấp có thể thay silicon trong
sản xuất mạch tích hợp. Các nhà khoa học Mỹ và châu Âu đang nghiên cứu chế tạo chíp vi
xử lý bằng vật liệu nhựa giá thành thấp hơn nhiều nhưng có tốc độ và chức năng xử lý
tương đương chíp bằng silicon. Mới đây tập đoàn Philips (Hà Lan) đã sử dụng vật liệu nhựa
làm chất bán dẫn trong sản xuất màn hình vi tính thay cho silicon. Phương pháp này không
đòi hỏi nhiều công đoạn, cũng không yêu cầu nghiêm khắc về môi trường sạch nên việc sản
xuất đơn giản hơn loại mạch tích hợp bằng silicon, khiến cho công nghệ này rất thích hợp
cho việc sản xuất màn hình rộng lớn. Giá thành là ưu thế rất lớn của chíp mạch bằng vật liệu
nhựa. Hiện nay chi phí đầu tư cho một nhà máy sản xuất chíp mạch bán dẫn bằng silicon lên
tới 3 tỉ đô-la Mỹ nên giá thành một bộ vi mạch lên tới mấy đô-la trong khi nếu sử dụng vật .
Các chuyên gia về vật liệu bán dẫn hữu cơ cho rằng sản phẩm điện tử bằng vật liệu nhựa tất
yếu sẽ trở thành một thị trường đầy hứa hẹn cho tương lai.
CÂU 2: Composite cốt sợi.
a.Composite polyme - sợi thủy tinh

Là loại được sản xuất với khối lượng nhiều nhất vì chúng khá rẻ, nhẹ, có độ bền
riêng cao và sự gắn kết tốt giữa hai pha nền - cốt, với cả hai loại cốt sợi liên tục cũng như
gián đoạn. Loại phổ biến nhất là polyeste - sợi thủy tinh, tiếp đến là nylon - sợi thủy tinh.
Tuy nhiên loại này có nhược điểm là không đủ độ cứng vững trong một số trường hợp yêu
cầu (như khi làm kết cấu của máy bay, cầu...), nhiệt độ làm việc thấp, dưới 200oC (trên đó
polyme bị chảy và hủy hoại). Hiện composite polyme - sợi thủy tinh được dùng ngày càng
nhiều trong các phương tiện vận tải đặc biệt là vỏ (thân) xe hơi, tàu biển, ống dẫn, container
chứa hàng, tấm lát sàn công nghiệp. Đặc biệt trong công nghiệp ôtô nó có sức cạnh tranh
cao nhờ giảm được khối lượng và do đó là tiêu hao nhiên liệu.
b. Composite polyme - sợi khác
Composite polyme - sợi cacbon có môđun đàn hồi riêng cao hơn, tính chịu nhiệt độ và
bền hóa học cao hơn nhưng đắt hơn và chỉ có loại sợi gián đoạn. Loại composite này có sức
cạnh tranh lớn trong máy bay do giảm nhẹ được khối lượng (giảm 20 - 30% so với dùng
kim loại).
10


Báo cáo vật liệu học 1

GVHD: Nguyễn Văn Thức

Composite epoxy - sợi bo được dùng trong máy bay lên thẳng (làm cánh rôto), còn loại
polyme - sợi aramit bắt đầu được dùng trong hàng không, tàu biển và đồ dùng thể thao.
c. Composite kim loại - sợi
Trong loại này nền kim loại có thể là: nhôm, đồng (phổ biến nhất), magiê, titan với cốt
sợi: cacbon, bo, cacbit silic, dây kim loại. Tỷ lệ thể tích sợi khoảng 20 - 50%. Một trong các
composite có triển vọng nhất là loại nền nhôm - sợi bo có phủ cacbit silic để làm chậm phản
ứng không mong muốn giữa nhôm và bo. Composite nền kim loại có nhiệt độ làm việc cao
hơn nền polyme. Chịu nhiệt độ cao hơn cả là loại nền hợp kim trên cơ sở Ni hoặc Co với cốt
sợi là dây vonfram dùng trong tuabin.

d. Composite cacbon - cacbo
Trong loại này tất cả đều bằng cacbon: cốt là sợi cacbon còn nền bao quanh là các hạt
(tinh thể) cacbon nhiệt phân được phân hóa và tạo thành ở trạng thái nóng trên sợi cacbon.
Nền cacbon được tạo thành cũng trên nguyên lý như dùng để chế tạo sợi cacbon: cacbon
hóa một chất hữu cơ ở nhiệt độ cao (trong chất lỏng ở áp suất trung bình và cao, còn trong
chất khí ở áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển), trong các điều kiện như thế các tinh thể grafit
sẽ hình thành và phát triển.
e. Composite cốt sợi pha
Đây là loại composite trong đó người ta dùng hai (hay nhiều hơn) loại sợi trong cùng một
nền, có sự kết hợp các tính chất tốt hơn loại chỉ có một loại cốt sợi. Trong loại này hiện nay
phổ biến hơn cả là dùng hai loại cốt sợi cacbon và thủy tinh trong nền polyme (trong đó sợi
cacbon bền, cứng vững, nhẹ hơn song đắt hơn sợi thủy tinh). Khi composite sợi pha bị ứng
suất kéo, sự phá hủy xảy ra không tức thời: sợi cacbon bị đứt trước sau đó tải trọng được
truyền sang sợi thủy tinh, rồi cuối cùng composite bị phá hủy hoàn toàn khi nền bị hỏng do
tải trọng tác dụng vào.

Câu 3: Công nghệ chế tạo composite sợi thủy tinh
Mô tả về cốt composite “thủy tinh – nhựa”
11


Báo cáo vật liệu học 1

GVHD: Nguyễn Văn Thức

- Cốt composite “thủy tinh – nhựa” có dạng thanh đường kính từ 4 – 20 mm, chiều
dài bất kì (có thể cuốn lại thành từng cuộn) với bề mặt xung quanh tiết diện của thanh có
gân xoắn ốc. Cốt composite được chế tạo từ sợi thủy tinh, kết dính bằng polymer dạng nhựa
epoxy.
- Flintkote FG4 la lưới sợi thủy tinh dùng để gia cố cho hệ thống các lớp phủ asphalt, matit

nhựa đường, nhũ tương
nhựa đường và chống thấm.
- Không độc hại. Mức độ ảnh hưởng đến con người và môi trường, được xếp vào nhóm
nguy hiểm thứ 4 (ít nguy hiểm) theo Tiêu chuẩn Nga ГОСТ 12.1.07.
- Được sử dụng trong xây dựng dân dụng và công nghiệp, xây dựng công trình giao thông,
và trong các cấu kiện bê tông dự ứng lực, thay thế cốt thép truyền thống.
Cốt composite “thủy tinh – polymer” cho cấu kiện bê tông có hàng loạt ưu điểm so
với cốt thép truyền thống
- Cường độ kéo đứt cao gấp 3 lần cốt thép mác A-III.
- Cốt composite không bị ăn mòn, kể cả trong môi trường kiềm của bê tông.
- Cốt composite bền trong axit.
- Cốt composite làm từ vật liệu nghịch từ và không dẫn diện, cho phép sử dụng cho các
công trình bệnh viện, sân bay, trạm radar và các công trình quân sự.
- Độ dẫn nhiệt thấp. Độ dẫn nhiệt của cốt composite thấp hơn 100 lần so với thép.
- Không hấp thụ sóng điện từ.
- Cốt composite không đánh mất các tính chất của mình ở nhiệt độ thấp, khác với xu hướng
gia tăng độ giòn của cốt thép khi giảm nhiệt độ.
- Hệ số giãn nở nhiệt của cốt composite và bê tông tương đương nhau, do đó tránh được nứt
vỡ khi nhiệt độ làm việc thay đổi.
- Nhẹ hơn thép khoảng 5 lần, nhẹ hơn khoảng 9 lần khi thay thế 1 lượng cốt thép tương
đương về cường độ, do đó cho phép giảm đáng kể khối lượng công việc khi tiến hành công
tác bê tông, cốt thép.
- Có thể sử dụng cốt composite với chiều dài bất kì.
- Độ bền kéo của hệ thống các lớp chống thấm được cải thiện rất lớn giúp tăng khả năng
chống nứt lên hơn bất cứ hệ thống nào không có lưới gia cố va do vậy đảm bảo thời gian sử
dụng lâu dài
cho hệ thống chống thấm.
- Chi phí vận chuyển và bốc dỡ thấp.
- Dự đoán độ bền không ít hơn 80 năm.

12


Báo cáo vật liệu học 1

GVHD: Nguyễn Văn Thức

13